Hacia una producción de amoníaco más verde: cómo acelerar la búsqueda de mejores catalizadores

Por qué importa producir amoníaco de forma más sostenible

El amoníaco es uno de los químicos más producidos en el mundo, sólo superado por el ácido sulfúrico en volumen anual. Su uso principal es la fabricación de fertilizantes, un insumo crítico para sostener la producción agrícola global. Sin embargo, la manufactura actual de amoníaco tiene un alto costo ambiental: representa hasta el 2% del consumo energético mundial y alrededor del 1.5% de las emisiones de gases de efecto invernadero.

La mayor parte del amoníaco se obtiene mediante el proceso Haber-Bosch, una tecnología desarrollada hace más de un siglo que ha sido optimizada intensamente y que depende mayoritariamente de combustibles fósiles tanto para calor como para la obtención del hidrógeno necesario. Ante la presión por reducir emisiones y cumplir metas climáticas, la industria y la academia buscan alternativas que permitan mantener o aumentar la producción —hoy en torno a 200 millones de toneladas métricas al año— con menor consumo energético y menos emisiones.

La promesa y el reto de la vía electroquímica

Una ruta alternativa utiliza la electroquímica: en lugar de calor y presiones extremas, se emplea electricidad para impulsar la reacción entre pares protón-electrón y gas nitrógeno. En su esencia, la técnica es similar a la utilizada en electrolizadores, que ya están maduros para otras reacciones impulsadas por electricidad.

No obstante, aunque la reacción electroquímica funciona en laboratorio, su eficiencia y productividad aún están lejos de los requisitos industriales. “Las tasas de producción y los rendimientos siguen siendo demasiado bajos”, apunta Constantine Athanitis, uno de los autores del estudio del MIT. Además, la economía manda: “aunque una tecnología pueda ser mejor para el clima, las empresas no la adoptarán si no es competitiva en costos”.

El gran desafío técnico es encontrar catalizadores que reduzcan la energía requerida, aumenten la selectividad hacia la formación de amoníaco y minimicen reacciones secundarias no deseadas. Si se logra, los beneficios serían enormes: menor consumo energético, emisiones reducidas y la posibilidad de integrar fuentes renovables para producir fertilizantes en forma más distribuida.

¿Por qué los catalizadores importan tanto?

Los catalizadores controlan lo que ocurre en la superficie donde la reacción tiene lugar: su composición electrónica, estructura y química determinan la velocidad, la selectividad y la eficiencia del proceso. Históricamente, el descubrimiento de materiales catalíticos ha sido en gran parte por ensayo y error, guiado por la intuición química.

En la búsqueda de catalizadores prometedores para la reducción de nitrógeno, los nitruros de metales de transición han llamado la atención. Una propiedad notable de estos materiales es que el nitrógeno presente en la propia estructura del catalizador puede participar en la reacción, facilitando una secuencia de pasos químicos donde cada uno puede ayudar a impulsar el siguiente. Esto contribuye a reducir la barrera energética asociada a romper los fuertes enlaces de la molécula de nitrógeno, uno de los cuellos de botella clave.

Pero no existe un único material perfecto: distintos compuestos pueden optimizar diferentes etapas de la reacción, por lo que la tarea es identificar combinaciones con el equilibrio adecuado de propiedades.

El enfoque del MIT: identificar propiedades clave y acelerar la búsqueda

Investigadores del MIT encabezados por Bilge Yildiz desarrollaron un método para predecir qué materiales son más prometedores como catalizadores en la síntesis electroquímica de amoníaco. En palabras de Yildiz, “Nuestro enfoque identifica las propiedades físicas clave que impulsan la actividad catalítica en la producción de amoníaco”. El trabajo, en coautoría con los doctorandos Constantine Athanitis y Filip Grajkowski, fue publicado el 11 de agosto en la revista EES Catalysis (Royal Society of Chemistry).

La novedad no es sólo proponer nuevos compuestos, sino reducir drásticamente el espacio de búsqueda. En lugar de probar por ensayo y error entre millones de aleaciones posibles, el equipo primero analizó qué propiedades microscópicas (electrónicas, químicas y estructurales) determinan la reactividad en la reducción de nitrógeno. A partir de esas relaciones, emplearon herramientas computacionales basadas en teoría del funcional de la densidad para modelar cómo distintos arreglos atómicos y composiciones afectarían el desempeño catalítico.

Así, la metodología permite priorizar familias de materiales —particularmente nitruros de metales de transición— que reúnen las características deseadas, acelerando la identificación experimental de candidatos prometedores.

¿Qué significa esto para la industria y para América Latina?

Para tomadores de decisión en la región, la importancia es estratégica. La agricultura latinoamericana depende en gran medida de fertilizantes nitrogenados; cualquier avance que permita producirlos con menor costo ambiental puede ayudar a reducir la huella de carbono del sector y asegurar cadenas de suministro más resilientes ante la volatilidad de los combustibles fósiles y del gas natural.

Además, la posibilidad de producir amoníaco por vías electroquímicas abre la puerta a modelos de producción más descentralizados y sincronizados con energía renovable —una ventaja relevante para países con alto potencial solar o eólico. Sin embargo, como subraya Athanitis, la viabilidad comercial exige que estas alternativas sean competitivas en costos y rendimiento frente al Haber-Bosch optimizado.

Qué falta para pasar del laboratorio a la planta

Aunque el avance del MIT reduce la incertidumbre en la etapa de descubrimiento de materiales, aún quedan pasos críticos:

• Validación experimental de los catalizadores priorizados por los modelos en condiciones reales de operación.
• Escalado de síntesis de materiales y evaluación de durabilidad, estabilidad y tolerancia a impurezas.
• Diseño de celdas y sistemas electroquímicos que logren rendimientos y productividades industriales.
• Análisis económico y de ciclo de vida que comparen las nuevas rutas con los procesos existentes.

Cada uno de estos puntos es necesario para que la vía electroquímica sea no sólo técnicamente factible, sino también atractiva para la inversión industrial y adopción comercial.

Conclusión

El trabajo del MIT representa un avance importante para acelerar la búsqueda de catalizadores que podrían hacer competitiva la producción electroquímica de amoníaco. Al identificar las propiedades físicas que rigen la actividad catalítica y reducir el universo de materiales a explorar, la metodología acorta el tiempo entre concepto y prueba experimental.

Para regiones como América Latina, donde la seguridad alimentaria y la transición energética son prioridades, este tipo de investigación ofrece una hoja de ruta hacia fertilizantes más sostenibles. No obstante, la adopción masiva dependerrá de demostrar que estos nuevos materiales y procesos pueden alcanzar los niveles de eficiencia, rendimiento y costo que exige el mercado global.